旋轉式MEMS慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展及應用*

王思遠,羅世彬

(中南大學 航空航天學院,湖南 長沙 410086)

0 引 言

慣性導航技術由于其具有自主性、全天候、抗干擾等特點,而成為眾多導航技術中可實現自主導航的一種最重要的技術手段[1,2]。由于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)慣性傳感器具有成本低,體積重量小,強抗沖擊及功耗低等優(yōu)點,在慣性導航領域中發(fā)揮著重要作用。為提高MEMS慣性導航系統(tǒng)精度使其滿足精度需求,旋轉調制技術是一種有效手段。

1 MEMS慣性導航系統(tǒng)發(fā)展現狀

MEMS慣性導航系統(tǒng)主要由MEMS陀螺儀與MEMS加速度計組成。根據精度高低,陀螺儀可分為消費級、戰(zhàn)術級、導航級、戰(zhàn)略級,如表1所示。近些年MEMS慣性傳感器快速發(fā)展,精度已超過0.001°/h[2]。

表1 陀螺儀分類

隨著硅材料的出現,加工工藝的提升,MEMS慣性導航技術快速發(fā)展,體積、重量降低,精度提高,而且采用組合導航技術使MEMS慣性導航系統(tǒng)精度進一步提升,在智能無人系統(tǒng)領域內不可或缺。

MEMS慣性導航系統(tǒng)的精度主要受MEMS陀螺儀精度的影響,MEMS陀螺主要包含振動臂式MEMS(音叉式)陀螺、振動盤式MEMS陀螺、環(huán)形諧振MEMS陀螺。MEMS加速度計主要分為位移式MEMS加速度計、諧振式MEMS加速度計、靜電懸浮MEMS加速度計[3～6]。

MEMS陀螺儀發(fā)展歷程：上世紀壓阻現象的發(fā)現為MEMS慣性傳感器的實現提供了理論基礎。1967年提出的表面犧牲層技術,為高諧振頻率的懸梁技術的實現提供了支持。20世紀90年代末期,Draper實驗室研制出首臺振動式MEMS陀螺儀；1993年，Draper實驗室研制出的音叉線振動式MEMS陀螺儀推動了MEMS陀螺儀的發(fā)展。1997年,University of California,Berkeley研制出首款表面微機械Z軸陀螺儀；1998年，清華大學研制出國內首個音叉式MEMS陀螺；2002年,ADI公司生產出首款商用陀螺儀ADXRS；2004年，HSG公司研制出首款表面微機械的X軸陀螺儀；2006年,日本兵庫大學報道了一種由鋯鈦酸鉛棱柱體構成的新型壓電振動固態(tài)MEMS陀螺；2013年,法國Electronics and Information Technology實驗室設計出一種橫向懸掛的電容式音叉陀螺[1]。

MEMS加速度計發(fā)展歷程：美國DRAPER實驗室、Stanford大學以及University of California,Berkeley 20世紀60年代末開始MEMS加速度計的研制工作。20世紀70年代，由于壓阻效應的出現,壓阻式加速度計研制成功[7],首次實現MEMS加速度計商業(yè)化。20世紀80年代末期,隨著微機械加工工藝的進步,并且與傳感技術結合,電容式MEMS加速度計在汽車行業(yè)開始了應用。1989年,美國ADI公司推出一種有50gn量程加速度計ADXL50[8]。21世紀之后,隨著計算機及機械工業(yè)的迅速發(fā)展,MEMS加速度計被廣泛地應用在無人車、無人機、無人船及機器人等無人領域并發(fā)揮著重要作用。

2 旋轉調制技術發(fā)展現狀

旋轉調制技術是在慣性導航系統(tǒng)外面加上轉動機構,進行周期性旋轉,以此來有效地補償慣性傳感器的確定性誤差。MEMS慣性導航技術在激光慣導系統(tǒng)[9～12]及光纖慣導系統(tǒng)[13～20]上的研究較成熟,在MEMS慣性導航系統(tǒng)[21～26]上研究相對不完善。

在20世紀50年代,國外學者提出可以通過旋轉的方式補償慣性器件漂移誤差。1963年,Rockwell公司首次將旋轉調制技術用在KM2Mod3慣性導航系統(tǒng)中[27]。20世紀80年代,Sperry公司采取了單軸四位置正反轉停方案,研制出單軸旋轉式慣性導航系統(tǒng)。20世紀90年代，Sperry公司與Honeywell公司合作研制出MK39單軸旋轉調制慣性導航系統(tǒng)和MK49雙軸旋轉調制式慣性導航系統(tǒng),在MK39的基礎上又發(fā)展了 AN/WSN—7B慣性導航系統(tǒng)、在MK49的基礎之上發(fā)展了AN/WSN—7A慣性導航系統(tǒng)[28]。1994年,美國啟動高精度光纖陀螺慣性導航計劃,采用三軸連續(xù)旋轉方案,該系統(tǒng)于2005年研制出,目前開始試驗工作。俄羅斯圣彼得堡電子儀器儀表所研制成功一系列光纖陀螺單軸旋轉調制系統(tǒng),其中具有代表性的為用于船舶的“奧米茄”單軸旋轉組合慣性導航系統(tǒng)[29]。

國內國防科技大學首先開始旋轉調制技術在光學陀螺上的應用,2007年龍興武教授團隊采用單軸四位置正反轉停方案研制出實驗室精度優(yōu)于1 nm/5天的慣性導航。中國船舶707所研制的光纖旋轉慣性導航完成了靜態(tài)及車載試驗,哈爾濱工程大學進行了室內靜態(tài)單軸旋轉慣性導航試驗。北京航空航天大學的王學運等人[30,31]根據MEMS器件的誤差特性,選擇了一種MEMS器件捷聯慣性導航系統(tǒng)的旋轉調制方案并研發(fā)了原理樣機。北京航空航天大學的徐燁烽等人[32]研究了陀螺的標度因數誤差以及標度因數漂移在旋轉調制下的特性,并提供誤差補償方法及結果。中北大學的車曉蕊等人[33]用旋轉調制技術和卡爾曼濾波方法分別減小陀螺的常值漂移和隨機漂移?；鸺姽こ檀髮W的常振軍等人[34]針對復雜情況下車載捷聯慣性導航初始對準抗干擾能力差,初始對準精度低的問題,提出一種基于慣性系的單軸旋轉調制的初始對準方法。加拿大卡爾加里大學的學者將采用MTI-G及NAV440兩種慣性傳感器的MEMS慣性導航系統(tǒng)進行旋轉調制,在GPS信號失鎖時,姿態(tài)精度提高約2倍,位置精度提高了2～3倍[35]。浙江大學[36]、南京航空航天大學、哈爾濱工程大學[37～39]、國防科技大學[40]等國內高校均進行了旋轉慣性導航研究,部分實物系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 旋轉式慣性導航系統(tǒng)樣機

3 MEMS旋轉調制技術原理

旋轉調制能夠補償MEMS慣導系統(tǒng)的確定性誤差,提高系統(tǒng)精度。坐標系定義如下：n系：導航坐標系；b系：載體坐標系；i系：慣性坐標系；e系：地球坐標系。慣性導航系統(tǒng)的誤差傳播方程如下[41]

(1)

4 MEMS慣性導航旋轉調制方案分析

目前旋轉調制方案主要考慮轉軸數、轉停位置、旋轉速度以及旋轉連續(xù)性等要素[42,43]。

4.1 元件級/系統(tǒng)級補償方案選擇

補償方案主要分為系統(tǒng)級與元件級。旋轉方案選取元件級的轉動補償方式則需要對每一個陀螺單獨加上一個轉軸,而且需要元器件與轉軸方向嚴格垂直才能補償掉常值漂移誤差,不然會帶來新的誤差,故此方式容易引入新的誤差?，F今大多數旋轉調制方案均采取系統(tǒng)級補償方案。

4.2 轉軸數

旋轉軸數主要分為單軸、雙軸及多軸,由旋轉調制補償機理可以得知,繞轉軸的轉動可以補償垂直轉軸方向的常值誤差,但無法補償旋轉軸方向的誤差,故單軸旋轉式慣性導航系統(tǒng)誤差相對補償不完全,對精度要求較低時可采用單軸方案。雙軸方案若采取合適的轉停位置可以補償3個軸向的常值誤差,但是會造成電機負荷較大。因此在進行旋轉軸數選擇時應綜合考慮誤差補償及電機損耗。

4.3 旋轉速度

由誤差方程可知,數學平臺的誤差角度可以近似為[44]

=nT·t/(2π)

(2)

式中 Δθ為誤差角度,n為旋轉次數,t為時間。由上式可知,導航系統(tǒng)誤差角度積累與常值漂移誤差無關,轉動周期T越短,即旋轉速度越快,對常值漂移引起誤差補償效果越好。然而旋轉速度也不應特別快,這將會增加轉臺等機械結構和加速度計的負擔。目前，大多數旋轉式慣性導航系統(tǒng)均采用轉停結合的方式,旋轉速度多數都選擇在5°～20°之間。

4.4 旋轉連續(xù)性

在高精度光學慣性導航系統(tǒng)中,經常使用不連續(xù)轉動方案。由于高精度慣性導航系統(tǒng)零偏誤差相對于MEMS慣性導航系統(tǒng)很小,不連續(xù)旋轉方案較合適,停止時間內不會造成較大誤差,而且旋轉率通常較低,電機控制更準確,但對于具有較大零偏誤差的MEMS慣性導航系統(tǒng),不連續(xù)旋轉方案可能不適用,在停止時間內,有可能會積累較大的導航錯誤。故低精度MEMS慣性導航系統(tǒng)采取連續(xù)轉動方案較為合適,高精度MEMS慣性導航系統(tǒng)可以選用不連續(xù)轉動方案。

5 結束語

旋轉調制技術在高精度光學慣性導航系統(tǒng)上的研究已經比較完善,可以良好地補償慣性導航系統(tǒng)的誤差,但是在MEMS慣性導航系統(tǒng)上的研究仍較少。隨著MEMS慣性導航系統(tǒng)及小型轉臺設計的飛速發(fā)展,雙軸及多軸旋轉式MEMS慣性導航系統(tǒng)必然會成為應用于無人智能領域的導航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。